隨着汪精衛等投日，幾十萬敵後的地方軍閥部隊投日，也有一部分不滿意國民政府者投向的部隊。成爲敵後游擊戰的重要力量。至1940年7月，已發展至近40餘萬人，並擁有約1億人口的抗日根據地和近200萬的民兵組織。百團大戰後，日軍推行治安強化運動，華北日軍兵力達到47萬，並集中了傀儡政權中能投入戰場的全部軍隊。爲應對方面的游擊戰術，日本採用了“保甲制”來斷絕軍隊與當地民兵的接觸，設立無人區，進行極爲野蠻殘暴的“三光政策”，甚至使用違反國際法的生化武器來作戰。面對日軍掃蕩的壓力下，全軍實行戰略轉移，化整爲零保留實力，開展各種形式的反“掃蕩”鬥爭，如著名的地道戰、地雷戰、麻雀戰、破襲戰等。
1941年12月7日，日本偷襲美國珍珠港後，日本的戰略重心從中國轉變爲美國。翌日，美國向日本宣戰，並呼籲世界各國對日本實施貿易制裁。12月9日，中國國民政府正式向德、意、日宣戰。不久之後，除了與日本保持中立的蘇聯以外，英國等同盟國也對日本宣戰。從此中國不再獨立對日作戰，抗日戰爭正式成爲第二次世界大戰的一部分。美國加入二戰後，通過滇緬公路和“駝峰航線”從緬甸、印度向中國運送了大批作戰物資，支持***繼續抗戰。
世界各大國的介入對中國抗戰而言帶來了巨大的利益，這也是因爲英美出於本身利益考慮而希望中國拖住日本陸軍主力。因此，中國與英國簽訂了友好同盟條約，並與英、美等國簽訂協定廢除了部分不平等條約，令重慶國民政府的國際地位迅速上升。正如美國總統羅斯福在1942年2月7日致電蔣介石的時候所指出的那樣：“中隊對貴國遭受野蠻侵略所進行的英勇抵抗已經獲得美國和一切熱愛自由民族的最高讚譽，中國人民，武裝起來和沒有武裝的都一樣，在十分不利的情況下，對於裝備上佔極大優勢的敵人，進行了差不多五年的堅決抗擊所表現出來的頑強，乃是對其它聯合國家軍隊和全體人民的鼓舞。”
香港時間12月8日早上8時，即珍珠港事件後僅數小時，由酒井隆指揮的日本軍隊從深圳向香港發起進攻，香港保衛戰於此開始。12月25日，港督楊慕琦率駐港英軍投降，香港淪陷。同時，日本在國內進一步徵兵動員，將戰場擴大至荷屬婆羅門（今印度尼西亞）、菲律賓等英、荷、美在東南亞的殖民地，奪取當地產量豐富的石油、橡膠等戰略資源。並派兵向英國遠東軍進攻，接連攻克英國統治下的殖民地；並在暹羅灣發動主力決戰，將威爾士親王號戰列艦擊沉，標誌着日本在東南亞地區的擴張已無人能敵。
1943年11月，美英中三國政府首腦羅斯福、丘吉爾、蔣介石在埃及首都開羅開會，通過《開羅宣言》，要求戰後日本歸還佔領中國的所有領土，包括臺灣及其附屬島嶼。至1943年12月，日軍在兵力嚴重不足的情況下，被迫收縮戰線，華北方面軍停止向抗日根據地的進攻。
戰略反攻階段。
從1944年1月解放區戰場局部****至1945年8月日本宣佈無條件投降，是戰略反攻階段。
1944年，領導的敵後軍民在華北、華中、華南地區，對日僞軍普遍發起局部****。與此同時，國民黨正面戰場卻出現了大潰敗的局面，先後喪失了河南、湖南、廣西、廣東等省的大部分和貴州省的一部。
日軍在太平洋戰場的形勢惡化，兵力不足與物資緊缺到驚人的程度：橡膠、鋼鐵被列爲國家資源，禁止向民間出售；華北地區的資源生產遭到當地民兵與八路軍連續不斷的襲擾，絕大多數地區喪失了生產能力。爲了取得東南亞地區的物資，必需打通中國沿岸的航線，於是日本於1944年發起了豫湘桂會戰。日本華北方面軍輕易擊潰湯恩伯在河南省的大軍，打通了平漢線之河南至武漢段。之後，華中日軍乘勝追擊，在第四次長沙會戰中擊敗薛嶽，一路追擊至湖南南部重鎮衡陽。黃埔將領方先覺率部頑強抵抗47天，最終城破。華中日軍與華南日軍又聯手發起桂柳戰役，一路佔領廣西，打通湘桂鐵路，最後打到貴州獨山，震動重慶；另一路則從衡陽南下與廣州北上的日軍打通粵漢鐵路。全國輿論譁然，各界痛斥。此役日軍事先精心準備，兵力也經過大大補充；國民革命軍一方面因爲長期的“消極抗日、積極****”，另一方面精銳部隊被史迪威調往西南戰場，加之成風、軍人素質低下，導致豫湘桂會戰的大潰敗。日軍最終控制了華南交通動脈粵漢鐵路，將“大陸交通線”完全打通。這場戰爭儘管達到了日軍的作戰的企圖。可是，日本人無力去維護“大陸交通線”的暢通，並且分散了日軍的兵力，爲中隊****提供了條件。
豫湘桂潰敗的同時，中國遠征軍和中國駐印軍發動了滇西緬北大****。1944年5月，由衛立煌將軍指揮的***遠征軍強渡怒江，發起滇西****，先後攻克日軍堅固防守的松山、騰衝、龍陵，收復西南失地。成爲了日本在中國戰敗的轉折點。
日本戰敗。
1945年2月，英、美、蘇三國首腦羅斯福、丘吉爾、斯大林在蘇聯的克里米亞半島簽訂《雅爾塔協定》，規定在歐洲戰爭結束後三個月內，蘇聯應對日宣戰。中國沒有被邀請參加。由於美英是以犧牲中國的主權（如承認外立），來換取蘇聯對日出兵的條件，也被稱爲遠東慕尼黑陰謀。
1945年2月以後，雖然日本軍閥在豫湘桂會戰後已基本上打通了大陸交通線，但是由於經常受到來自於內地的美國空軍的攻擊，加之太平洋戰場已日益吃緊，盟軍正逐步逼近日本本土，於是爲了消滅美軍在中國的飛機場以維持大陸交通線的通暢並早日結束中日戰爭，以集中全力於本土防衛，1945年3月起日軍先後發動豫西鄂北會戰和湘西會戰。在河南，日本軍閥於3月下旬從豫中會戰之後的防線以東向西發動攻擊，其前鋒一直衝到西峽口。在湖北，3月日本軍隊向西北部發動攻擊，於4月8日攻陷老河口；但國民革命軍隨即發動****，收復了除老河口之外所有被日軍佔領的地區。在湖南，日軍以空軍基地芷江爲目標，於4月向湖南西部發動攻擊，但是在國民革命軍抵抗之下，日軍遭受大挫敗而退回原陣地。之後國民革命軍乘勝追擊，向廣西地區發動****，於5月27日收復南寧，8月收復廣西全境。此外，國民革命軍原本預定於8月收復廣州以打通中國對外運輸要道，因爲日本投降而未實行。
1945年7月26日，美、英、中三國共同發表波茨坦公告，敦促日本無條件投降，否則將予以日本“最後之打擊”。由於此時美國的原子彈已試驗成功，舊總統羅斯福已於4月12日病逝，新總統杜魯門對於蘇聯的參戰並不抱太大興趣，所以未邀請蘇聯協商或署名，造成蘇聯頗爲不滿。
1945年8月6日，爲了避免採取大量傷亡的登陸戰以及在先蘇聯一步拿下日本本土，美軍在日本廣島投下第一枚原子彈，3天后又在長崎投下第二枚原子彈。蘇聯紅軍也根據《雅爾達密約》，在8月8日對日宣戰，發動八月風暴行動，於8月9日出兵中國東北。此時的日本關東軍兵力僅有70萬人部署在中國東北和朝鮮半島，蘇聯紅軍投入到遠東戰場則多達150萬人，雙方的裝備也相差懸殊，蘇聯紅軍橫掃日本關東軍。
在此時，中國內部開始有人感覺到抗日戰爭終結之日即將到來。發表《對日寇最後一戰》，抗日戰爭進入全面大****階段。國民黨方面在美軍空運、海運幫助下，迅速佔領各大城市，接受日本投降。軍隊則接收經營許久的中小城市、鄉村地區，在蘇軍協助下也收復了張家口，而且八路軍、新四軍因爲長期敵後抗戰的緣故，控制了大量鐵路幹線，增加了遠在西南方面對敵正方的國民革命軍接收日佔領區的難度，爲日後解放戰爭埋下了伏筆。
1945年8月15日正午，日本裕仁天皇通過廣播發表《終戰詔書》，宣佈無條件投降。8月16日，蘇軍總參謀部發表聲明指出：“日本天皇8月15日所發表的投降聲明，僅僅是無條件投降的一般宣言，並未向武裝部隊發佈停止敵對行動的命令，而且日本軍閥仍在繼續抵抗，因此，日本尚未實際投降……遠東蘇軍將繼續對日攻勢作戰。”此段時間，由於日軍的敢死隊出動，導致蘇聯傷亡頗爲慘重。戰事直到8月23日蘇軍佔領旅順港口才真正結束。
9月2日，日本外相重光葵在美艦密蘇里號上正式簽署投降書。
日本投降。
第二次世界大戰中國戰區受降儀式，在1945年9月9日9時，南京中央陸軍軍官學校大禮堂（現南京軍區大禮堂）舉行，日本中國派遣軍總司令岡村寧次簽署投降書，向同盟國代表、中國陸軍總司令部總司令何應欽表示無條件投降並交出他的隨身佩刀，以表示侵華日軍正式向中國繳械投降。日本投降書中日文各一份，儀式歷時15分鐘。